微型处理器

移动计算正在改变微处理器产业

英特尔的酷睿i7系列芯片，身为当今性能最强劲台式机处理器中的一员，有7亿7400万个晶体管，其沟道只有100个硅原子的宽度。芯片拥有4～6个以最高3.3GHz的时钟频率运行的6.4位运算内核。大批量生产的情况下，一块芯片的成本约为1000美元。考虑到通货膨胀，这大抵就是第一款商业化微处理器英特尔4004处理器在1971年时的成本。过去40年中硅技术不可思议的进步已经使计算机遍布家庭与办公室的每一个角落。

微处理器在手机等移动设备中也已经常见了，但直到不久前，嵌入在这些设备中的简单处理器与它们安装在个人电脑中的强大表兄之间还有着不可逾越的鸿沟。然而最近几年，移动处理器的性能有了大幅度的提升。今天，一台智能手机可能拥有1GHz的处理器，以及数GB的数据存储空间，大致与2000年的顶级台式电脑运算能力相当。由此带来的影响是巨大的。现代手机的多媒体功能使得数百万穷困国家的人们可以访问互联网。而新型的移动应用，比如基于地理位置的服务和增强现实，也正在逐渐成为主流。

对移动运算性能需求的飞涨正在改变着半导体工业对于芯片的思维方式(见《移动芯片威胁高性能制造商》，84页)。电池的约束意味着每瓦特的性能正在取代整体处理能力，成为芯片制造商喜欢拿来吹嘘的新标准。而移动设备中对于网络与多媒体应用的重视也正在将制造商的关注点从通用处理器转移到具有专门处理音频与视频任务的电路的处理器上。

(见《移动专用设计》，下方)。制造商还在研究如何去适应硅材料的局限性，这种局限使得以更低成本实现更高处理性能变得越来越困难(见《不惜代价维持摩尔定律》，对页)。不过，在未来几年内我们将看到一些大幅度性能提升将不是来自制造芯片的新技术，而是来自规划它们的新方式(见《多核处理器令软件头疼》，82页)。

——斯蒂芬·卡斯

移动专用设计

为面对未来日益增长的移动设备计算需求，芯片制造商们将推出紧凑型处理器设计，在增强性能的同时降低能耗。

为移动设备设计处理器不只是简单地在更小的设备中复刻台式机的架构。晶体管越小，电能流失得就越多，这简直就是依靠电池供能设备的杀手。为了解决这个问题，英特尔在其现有芯片中使用了更好的绝缘材料，而IBM的芯片将很快具有中空的蜂巢设计——因为真空是最好的绝缘体。

另一种策略是是在同一个芯片上集成多个处理单元，这项技术称为多核运算。换掉一块耗能巨大的2GHz芯片，取而代之的两块节能的1GHz芯片能实现相同的性能。不过，编写高效运用多核处理器的程序颇为困难(见《多核处理器令软件头疼》，82页)。将专用系统集成到通用内核上，也是增强某些移动应用程序在多媒体处理等方面性能的一种方法。苹果公司在其iPad平板电脑中使用了这种方法，开发出名为A4的订制芯片来驱动iPad。高通、英特尔、IBM分别更进一步利用了这种方法，研究设计具有多层电路的三维芯片。这些设计通过缩短比特流必须经过的传输距离降低能耗，比如，处理器与内存之间的距离(电子传输的距离越远，就有越多的能量以热的形式流失)。高通有望在明年生产这样的芯片。记录下处理器正在做什么(或者没做什么)是延长电池寿命的关键。今年夏天，英特尔将推出其下一代移动Atom处理器，该处理器运行时的耗电量是传统芯片的1/3～1/2，而空闲时则仅有1/50。短期来看，在增强处理器性能的同时降低能耗的技术将意味着智能手机、上网本，以及平板电脑每充一次电都能运行得更好更久。而能耗更低的高性能处理器还可能改变移动设备的供能方式。由太阳能电池，或者一块将行走中的生物能量转化为电流的压电设备所产生的一点点电量无法为当今的小型设备提供充足的能量。不过未来的移动处理器将可能从这些能源中获益匪浅。

——凯瑟琳·波尔扎克

不惜代价维持摩尔定律

建一家尖端微芯片制造工厂，需要30～50亿美元。这样的高成本意味着，工厂必须保持生产线的满负荷运转，以赚回砸进的金钱。英特尔的制造与供应链总经理布莱恩·克尔扎尼奇(Brian Krzanich)说：“地球上最烧钱的无疑是一座半空的芯片工厂。”因此，只有产量最大的处理器制造商——比如三星和英特尔——能全权拥有并运行这些顶尖工厂。

其他芯片制造商要么使用不那么昂贵的老技术生产性能较次的芯片，要么将生产外包给专门运营半导体工厂的公司，比如全球晶圆(Global Foundries，去年从AMD分离出)和台湾积体电路制造股份有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)。这些工厂聚集了来自多个客户的大量订单以保持生产线繁忙。全球晶圆有着每年超过20亿美元的收入，有望在2014年前将其年产量增加到380万片晶圆，每片晶圆包含上百个芯片。

最先进的量产芯片所使用的集成电路特征尺寸大约32纳米。定于今年晚些时候推出的下一代芯片会达到仅28纳米，而22纳米与20纳米的处理器也在“顺利的开发中”，三星美国分公司的代工服务副总裁安娜·亨特(Ana Hunter)说。越来越小的特征尺寸意味着过去40年来令人熟悉的处理器性能增长有望延续下去。摩尔定律——即一块芯片上的晶体管数量每24个月将翻一番的预测——至少在未来数年内将继续保持颠扑不破。

不过随着芯片上的原件越来越小，设计处理器也变得愈发困难了。这些都意味着研发成本的飙升。2009年，整个行业大约有300亿美元，或者说17％的收入的到了研发中——比1999年增长了40％。芯片制造工厂本身也越来越昂贵。1999年，一家最先进的工厂大致需要20亿美元。

芯片制造商们试图通过广泛的合作来控制成本。IBM、全球晶圆、意法半导体(STMicroelectronics)、东芝、NEC、英飞凌(Infineon)以及三星正在合作开发适合下一代芯片的大批量制造流程。然而，这种向多客户代工与削减研发成本的转变能否使摩尔定律延续到下一个十年，还是个未知数。最终，硅芯片技术的最大局限可能并非物理定律，而是经济法则。

——克里斯多夫·米姆斯

超越硅的运算

摩尔定律最终的失效是不可避免的——至少对于硅工艺如此。为了在一块微芯片上塞进更多硅晶体管而进一步缩小其尺寸将变得不可能，或者至少太过昂贵。研究员期望着有一天开发出替代材料，比如砷化镓、石墨和碳纳米管。希望这些材料制造的晶体管能比硅制晶体管更小、更快、能效更高。“我们需要向工具箱里添加更多的材料，”英特尔部件研发主任迈克尔-马布